Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние неразрушающего контроля железнодорожных рельсов в условиях эксплуатации 11
1.1 Состояние неразрушающего контроля рельсов 11
1.2 Акустико-эмиссионный контроль объектов 18
1.2.1 Измеряемые параметры сигналов АЭ 19
1.2.2 Определение координаты источника 24
1.2.3 АЭ при прочностных испытаниях материалов 28
1.2.4 АЭ при усталостных испытаниях материалов 30
1.3 Возможность применения АЭ метода для контроля рельсов 34
Выводы по 1 главе 37
2 Повышение достоверности информативных параметров сигнала АЭ 38
2.1 Исследование структуры сигналов АЭ с целью повышения точности определения местоположения дефектов 38
2.1.1 Факторы влияющие на точность определения местоположения иточ-ника сигнала АЭ 38
2.1.2 Разработка алгоритма уточнения момента появления сигнала 45
2.1.3 Сравнительный анализ методов определения местоположения сигналов АЭ с использованием разработанного алгоритма 48
2.2 Исследование информативных параметров сигналов акустической эмиссии при испытаниях образцов 60
2.2.1 Схема эксперимента 60
2.2.2 Определение местоположения источника сигналов АЭ в эксперимен те с образцами 62
2.2.3 Частотные характеристики сигналов АЭ 66
2.2.4 Малоцикловые испытания образцов 70
2.2.5 Энергетические параметры сигналов АЭ 72
Выводы по 2 главе 74
3 Исследование акустических шумов при статических испытаниях образцов из рельсовой стали 76
3.1 Механические шумы 78
3.2 Изучение акустических характеристик материалов 79
3.3 Многослойная шумоизоляция 87
3.4 Изучение низкоэнергетической составляющей акустического сигнала при испытании образцов 92
Выводы по 3 главе 107
4 Применение акустико-эмиссионного метода для неразрушающего контроля рельсов 108
4.1 Изучение напряженно-деформированного состояния рельса на мосту в динамике 109
4.2 Изучение акустического и электромагнитного фона при проведении АЭ контроля рельсов на железнодорожном мосту 120
4.3 Методика проведения АЭ исследований рельсов 122
4.4 Результаты АЭ контроля 124
Выводы по 4 главе 132
Основные выводы 133
Литература
- Акустико-эмиссионный контроль объектов
- Факторы влияющие на точность определения местоположения иточ-ника сигнала АЭ
- Изучение акустических характеристик материалов
- Изучение напряженно-деформированного состояния рельса на мосту в динамике
Введение к работе
<% В современных условиях особое значение приобретают проблемы
надежности и долговечности машин и конструкций. Решение этих задач неразрывно связано с обеспечением эффективного диагностирования возникающих в изделиях дефектов при статическом, и особенно при цикличе-
I ском нагружении, при котором развиваются усталостные трещины. Осо-
бенно важен учет циклических нагрузок при эксплуатации объектов железнодорожного транспорта. Детали подвижного состава и элементы верхнего строения пути (в первую очередь рельсы) подвержены знакоперемен-
ному нагружению, причем амплитуда прикладываемых нагрузок достигает
очень больших величин. Ситуация осложняется тем обстоятельством, что
| объекты железнодорожного транспорта эксплуатируются при большом пе-
репаде температур окружающей среды, который в условиях Сибири может
колебаться от -50 до +50 С. Неожиданное наступление заключительной
і стадии усталостного разрушения (хрупкий долом) может приводить в та-
ких случаях к катастрофическому сходу подвижного состава с тяжелыми последствиями.
Проблема неразрушающего контроля рельсов существует уже давно,
и на сегодняшний день разработано множество методов позволяющих с
различной степенью вероятности определить наличие дефекта внутри
рельса. Практически вся протяженность железнодорожных путей контро-
{ лируется ультразвуковыми дефектоскопами в сочетании с магнитными. Но
\ применение традиционных методов неразрушающего контроля уже не в
I состоянии в ряде случаев обеспечить надежное выявление всех дефектов.
4% До сих пор остается очень актуальной проблемой выявление расту-
щего дефекта на начальной стадии его развития, так как частой ситуацией является существенное различие скорости развития дефекта и его геометрических размеров, по которым в настоящее время происходит отбраковка.
' " _____
Одним из немногих методов способных регистрировать дефекты на на
чальной стадии развития является метод акустической эмиссии (АЭ). Ме-
* тод хорошо зарекомендовал себя в некоторых областях промышленности.
Основной проблемой стоящей на пути широкого использования метода АЭ на железнодорожном транспорте является отсутствие необходимого количества исследований в этой области, выполненных на современном уровне, с использованием современного научно-исследовательского оборудования.
Цель исследования: разработать методику и аппаратный комплекс с использованием регистрации сигналов АЭ и тензометрии для выявления дефектов, находящихся на начальной стадии развития в рельсах в условиях эксплуатации на железнодорожном мосту.
Для достижения этой цели представляется необходимым решение следующих задач исследования:
1. Определение влияния напряженно-деформированного состояния об-
разцов из рельсовой стали в условиях статического нагружения на спек
тральные и энергетические информативные параметры сигналов АЭ, и
обоснование способа создания напряженно-деформированного состояния в
, материале рельса, необходимого для проведения АЭ контроля.
2. Снижение погрешности при определении местоположения ис
точников АЭ за счет анализа формы регистрируемых сигналов.
3. Разработка методики и устройства эффективного подавления меха-
( нических шумов в исследуемом образце, при сохранении приемлемых ди-
\\ намических характеристик нагружения, и исследование низкоэнергетиче-
I ской составляющей непрерывной АЭ при пластическом деформировании
I материала для последующего использования в качестве информативного
параметра при анализе сигналов АЭ.
| 4. Разработка устройства высокоточной синхронизации по времени
систем регистрации акустико-эмиссионной и тензометрической информации.
\
!
5. Разработка способа АЭ контроля в условиях мощных механических
и электромагнитных помех в процессе движения состава, и разработка ме-
' тодики контроля рельсов расположенных на железнодорожном мосту.
Научная новизна работы заключается в следующем:
' 1. Разработан эффективный алгоритм уточнения определения начала
времени прихода сигнала АЭ на преобразователь акустической эмиссии (ПАЭ) с использованием информации о форме переднего фронта сигнала АЭ. Показано, что данный алгоритм одинаково хорошо работает с различ-ными методиками определения начала времени прихода сигнала. Это позволяет повысить точность определения координаты источника АЭ до необходимого уровня. Показано, что внутренняя структура сигнала АЭ при пластическом деформировании материала имеет сложный характер и состоит из нескольких областей, степень информативности которых сущест-
венно различается. Установлено, что начальная часть сигнала несет информацию об источнике АЭ, а последующая часть содержит информацию о пути распространения импульса.
Установлена линейная корреляция между упругой энергией, выделившейся при росте трещины, с энергией зафиксированных сигналов АЭ.
Получена зависимость увеличения мощности низкоэнергетической составляющей сигналов непрерывной АЭ от роста величины механических напряжений в рельсовой стали. Мощность монотонно возрастает до на-
I пряжений соответствующих пределу текучести материала, далее остается
і" постоянной до самого разрушения.
Практическая значимость и реализация результатов работы за-
j ключается в разработке методики АЭ контроля рельсов в процессе движе-
ния поезда по исследуемому участку. Методика выявляет дефекты, находящиеся на начальной стадии развития, независимо от места их располо-
жения, на основе регистрации сигналов АЭ, генерируемых при развитии
дефекта. Создано устройство эффективного подавления акустических шу-
!' мов, поступающих в образец из нагружающего устройства, с сохранением
удовлетворительных динамических параметров жесткости при проведении тестовых испытаний. Разработанное устройство шумоподавления может быть использовано как для статических испытаний, так и для циклических испытаний.
Предложенный в работе алгоритм уточнения определения начала времени прихода сигнала используется в АЭ системе СЦАД 16.03 поставляемой в предприятия сети железных дорог.
Разработанная методика АЭ контроля принята к использованию в дорожном центре диагностики пути ЗСЖД для диагностирования рельсов расположенных на железнодорожном мосту через реку Обь (3333 км).
Результаты разработки алгоритма уточнения определения начала
времени прихода сигнала, устройства подавления акустических шумов и
системы высокоточной синхронизации исследовательской аппаратуры ис
пользуются в Институте перспективных технологий на транспорте и по
вышения квалификации СГУПС при чтении лекций и проведении лабора
торных работ по дисциплинам "Физические основы методов неразрушаю-
I щего контроля качества пути и деталей подвижного состава","Акустико-
эмиссионная диагностика деталей подвижного состава и конструкций".
\
^ Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования,
[ разработке аппаратуры для проведения исследовательских работ, в прове-
\ дении лабораторных и натурных экспериментов, а также в обработке и
1%
анализе полученных результатов.
1 Настоящая работа проводилась по гранту в рамках федеральной це-
левой программы "Интеграция науки и высшего образования России" на 2002-2006 г. (направление 1.2 «Использование потенциала ведущих науч-
ных центров страны для стажировки молодых исследователей, аспирантов и докторантов высших учебных заведений»); при поддержке аспирантского гранта в соответствии с Указанием МПС России от 18.03.2000 № 47У, а также в соответствии с планом НИОКР МПС 2000 - 2003 гг.
На защиту выносятся следующие положения:
Алгоритм уточнения определения начала времени прихода сигнала АЭ на ПАЭ на основе анализа формы переднего фронта сигнала.
Результаты экспериментальных исследований структуры сигнала АЭ при пластическом деформировании материала, позволяющие выделить области непосредственно ответственные за процесс развития трещины и путь пройденный сигналом по объекту.
Экспериментальные результаты зависимости мощности низкоэнергетической составляющей сигналов непрерывной АЭ от величины механиче-
'' ских напряжений в материале образцов из рельсовой стали.
4. Методика неразрушающего контроля рельсов АЭ методом с одновре
менным учетом результатов тензометрии, при использовании проходящего
^ поезда в качестве внешней нагрузки.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
' - применением фундаментальных положений физической акустики,
* механики деформируемого твердого тела и физики прочности.
- корректностью постановки решаемых задач и их физической
обоснованностью;
- большим объемом экспериментальных данных и сопоставлением по-
!ц лученных результатов с результатами других авторов;
^ - использованием современных, взаимно дополняющих, эксперимен-
тальных методик и методов статистической обработки результатов;
.
- сходимостью с результатами ручной дефектоскопии рельсов ультразвуковым методом при повышении чувствительности.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Всероссийская конференция "Проблемы железнодорожного транспорта". (Иркутск. 2000); Всероссийская научно-практическая конференция "ТрансСибВуз-2000". (Омск. 2000); XX Уральская региональная конференция "Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами". (Екатеринбург. 2001); Международная конференция "Разрушение и мониторинг свойств металлов". (Екатеринбург. 2001); XVII Петербургская конференция "Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций". (Санкт-Петербург. 2001); Научно-практическая конференция ученых транспортных вузов "Актуальные проблемы Транссиба на совре-менном этапе". (Новосибирск. 2001); XVI российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика". (Санкт-Петербург. 2002); Региональная научно-практическая конференция "Вузы
і Сибири и дальнего востока - ТРАНССИБу". (Новосибирск. 2002); Между-
народная конференция "Разрушение и мониторинг свойств металлов".
) (Екатеринбург. 2003).
Публикации. По теме данной диссертации автором опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит
из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 122 наименований, приложений. Диссертационная работа содержит 167 страниц машинописного текста, включая 7 таблиц и 75 рисунков.
Акустико-эмиссионный контроль объектов
Под акустической эмиссией понимают физическое явление, связан ное с генерацией акустических волн упругости в процессе локально-динамической перестройки структуры материала при его деформировании [35].
Первая статья о применении специальной аппаратуры для регистрации сигналов АЭ была опубликована в 1936 г. в Германии Форстером и Шейлем [36], до этого эффекты связанные с акустической эмиссией обнаруживались случайно как побочный эффект в ходе исследования других свойств металлов. В США в 1948 г. проведен и опубликован следующий эксперимент с использованием АЭ аппаратуры [37]. Мэйсон, Макскимин и Шокли наблюдали движение дислокаций при помощи генерируемых в процессе этого движения волн напряжений. Аппаратура позволяла изме-рять перемещения порядка 10 м, происходящие за 10 с. До 1950 г. никто из исследователей не изучал явление АЭ само по себе. Первые подробные исследования феномена АЭ были выполнены Кайзером в 1950 г. в Высшей школе в Мюнхене [38]. Он испытывал на растяжение образцы из распространенных технических материалов. Наиболее значительным достижением Кайзера является открытие эффекта невоспроизводимости сигналов АЭ в металлах при нагрузках, меньших ранее прилагавшихся к данному образцу или конструкции. Кайзер также отметил, что АЭ бывает двух типов -дискретная и непрерывная. С 1957 г. начинается массовое исследование АЭ [39]. В 1961 г. Грином, Локманом и Стилом предпринята первая попытка применить метод регистрации сигналов АЭ для оценки поврежден-ности конструкции. Исследовался корпус двигателя ракеты "Поларис", изготавливаемой для ВМС США. В шестидесятых годах появляются работы Данегана [40], Татро [41], Ингла [42] и т.д [43,44]. Примерно в это же время начинают проводиться исследования на территории бывшего СССР в институте электросварки им. Е.О. Патона [45,46], в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе, в Хабаровском филиале ВНИИ физико технических и радиотехнических измерений (НПО "Дальстандарт") [47,48,49].
Характерными особенностями метода АЭ-контроля. определяющими его возможности и область применения, являются: - способность обнаруживать и регистрировать только развивающиеся дефекты, это позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по І степени их опасности [50]; - высокая чувствительность к растущим дефектам, что позволяет выявить в рабочих условиях приращение трещины до долей миллиметра. Предельная чувствительность акустико-эмиссионной аппаратуры по теоретическим оценкам составляет порядка 10"6 мм2 что соответствует выявлению скачка трещины протяженностью 1 мкм на величину 1 мкм [51]; - свойство интегральности, обеспечивающее контроль всего объекта с использованием одного или нескольких преобразователей АЭ-контроля, неподвижно установленных на поверхности объекта [52]; - возможность проводить контроль различных технологических процессов и процессов изменения свойств и состояния материалов [53,54]; - меньшее количество ограничений, связанных со свойствами и структурой материалов по сравнению с магнитными и ультразвуковыми методами [56,57];
Для регистрации АЭ при испытаниях объектов применяется аппаратура АЭ в виде многоканальных систем, позволяющих определять координаты источников сигналов и характеристики АЭ с одновременной регист рацией параметров нагружения (давления, температуры и т.д.). Данные системы бывают как стационарными, так и передвижными.
Многоканальная АЭ-система включает: комплект предварительных усилителей, кабельные линии, блоки предварительной обработки и преобразования сигналов акустической эмиссии, ПК с необходимым математическим обеспечением, средства отображения информации, блоки калибровки системы.
До недавнего времени, в связи с использованием аппаратуры построенной на отдельных радиоэлементах, а не на интегрированных микросхемах, при проведении АЭ контроля регистрировались и анализировались в основном потоковые данные АЭ. К таковым относятся: скорость счета дискретных сигналов АЭ - А , активность сигналов АЭ в единицу времени Nj., амплитудное распределение сигналов АЭ. Сейчас, в следствии усо Ф вершенствования аппаратуры АЭ и возрастания мощности вычислитель ных систем, становится возможным получать информацию о структуре самого сигнала АЭ (рисунок 1.3). С помощью современных систем АЭ контроля, таких как: "АФ-33" (Молдова), "Дефектофон-ЫЕ7-220" (Венгрия), "Dunegan Endevco" (США), "SPARTAN 2000" (РАС: США), "NAIS" (Япония), "Вулкан-SSM" (Англия), "AMSY4" (Германия), "A-Line 32D" (Инте-рюнис: Россия), "Эксперт" (Алькор: Россия), "ЛОКУС-4080" (ЭЛТЕСТ: Россия), "МАЛАХИТ АС-6А" (РКЦ "Курчатовский институт": Россия), "СЦАД-16.02" (СГУПС: Россия) [58,49,60,61,62], можно измерять гораздо большее число информативных параметров сигнала АЭ.
Факторы влияющие на точность определения местоположения иточ-ника сигнала АЭ
Существует несколько возможностей определения координат источников АЭ [34]:
1. Локализация с помощью определения разности времен прихода (РВП) сигнала АЭ на пространственно разнесенные приемники акустиче ской эмиссии (ПАЭ), данный способ расчёта основан на условии постоян І ства скорости распространения волн в материале.
2. Амплитудная локализация, основанная на измерении степени затухания сигнала на разнесённые ПАЭ. Здесь используется приближение, учитывающее, что амплитуда сигнала затухает строго экспоненциально с расстоянием от источника.
Наряду с несомненными достоинствами амплитудной локализации, такими как возможность определять координаты источников непрерывной АЭ, данный метод имеет недостатки связаные с невозможностью изготовления идентичных ПАЭ, каждый датчик имеет свою уникальную амплитудно-частотную характеристику. Пятно контакта между объектом контроля и каждым из ПАЭ может существенно различаеться, различными так же является качество поверхности и количество контактной смазки под ПАЭ. Кроме того, на регистрируемую амплитуду сигнала влияет так же диаграмма направленности источника АЭ и диаграмма направленности ПАЭ. Всё это сильно искажает истинную амплитуду сигнала, а следовательно и уменьшает точность определения координат данным методом. Метод локализации по определению РВП свободен от большинства вышеозначенных недостатков, однако и у него есть свои ограничения. В настоящей работе исследуется определение координат дефектов по методу вычисления РВП.
Рассмотрим задачу по определению координат источника сигналов АЭ на плоскости, поскольку в большинстве случаев этого бывает достаточно. На относительную погрешность вычисления координат источника АЭ є будут влиять точность вычисления времени прихода сигнала АЭ є t , точность определения координат установки датчиков єх. и точность определения скорости распространения волнового пакета в материале объекта Є с .
При скорости распространения волнового пакета в исследуемом ма-териале cs =6-10 м/с , среднем расстоянии между датчиками один метр, stjsCs « 100 и є,/єХі \0 [51], следует, что основной вклад в погрешность определения координат дефекта вносит точность вычисления времени прихода сигнала АЭ. Рассмотрим подробнее, какие факторы могут влиять на точность определения времени прихода сигнала на ПАЭ.
1) Ложное срабатывание аппаратуры. Под этим понимается следующее явление: характерные частоты, т.е. частоты на которые приходится большая часть энергии сигнала АЭ, лежат в области от 50 кГц до 1 МГц, следовательно дискретизация сигнала по времени должна быть не больше 0.5 мкс. При динамическом диапазоне амплитуд сигнала равном 12 бит на один датчик, поток информации для системы АЭ работающей с 16 датчике1 ками составляет порядка 130 мегабайт в секунду. Учитывая, что экспери мент по АЭ может длиться значительное время (от нескольких секунд до . нескольких суток) получается слишком большой объем данных для хране ния в памяти большинства современных ПК. Поэтому в память ПК запи сывают только те сигналы, которые превышают определенный порог по амплитуде, т.е. могут содержать информацию о событиях АЭ. В после дующем производится обработка данного события, и выясняется, содер жится ли в данном временном интервале сигнал АЭ или превышение поро га связано с производственными шумами различного типа, либо собствен ными шумами аппаратуры АЭ, В последних двух случаях координаты вы численные по ложным сигналам АЭ, связанными с помехами сильно иска жают общую картину расположения истинных источников АЭ в материале испытываемого объекта.
Изучение акустических характеристик материалов
После проведения серии экспериментов по регистрации сигналов АЭ при малоцикловых испытаниях металлических образцов выяснилось, что в ряде случаев наблюдался устойчивый рост усталостной трещины при отсутствии генерации сигналов АЭ из области разрушения материала. На отсутствие генерации АЭ при визуальном наблюдении роста трещины указывают и другие авторы [64,87]. Было решено провести дополнительное изучение этого вопроса, так как данный эффект может поставить под сомнение саму возможность применения метода регистрации АЭ из объекта для целей неразрушающего контроля. Из известных работ [80,82] видно, что механизм малоцикловой усталости заключается в постоянном подрастании микропластических деформаций в области концентратора напряжений. Кроме того, в исследованиях других авторов в области акустической эмиссии указывалось, что для различных материалов при переходе от хрупкого разрушения к вязкому разрушению уменьшался счет и снижалась амплитуда сигналов АЭ. Автором настоящей работы была высказана гипотеза о том, что при пластическом деформировании материала амплитуда сигналов АЭ уменьшается до такого уровня, что системы предназначенные і , для регистрации дискретной АЭ становятся не способны идентифициро ; вать данные импульсы, кроме того, возможно частота следования импуль сов многократно возрастает. Такой акустический сигнал для большинства ; современных систем регистрации потока сигналов АЭ неотличим от обыч ного шума и находится ниже порога срабатывания аппаратуры.
Для проверки этой гипотезы необходимо было создать малошумящее нагружающее устройство, уровень собственных шумов от которого был бы как можно ниже. Проблема в том, что создание специального малошумя щего устройства с заданным диапазоном испытательных нагрузок может оказаться невыполнимой задачей из экономических соображений. К тому же реализация необходимых динамических характеристик для таких уст-ройств является очень сложной инженерной задачей. В данной работе было решено попытаться использовать для проведения исследований стан-дартное прецизионное нагружающее устройство типа "Инстрон-8800". Для этих целей были изготовлены образцы, но в ходе экспериментов выяснилось, что уровень собственных шумов данного нагружающего устройства необходимо понизить на три порядка, только тогда станет возможным проведение эксперимента.
Современная аппаратура, специально разработанная для промышлен ного АЭК, обладает уровнем собственных электрических шумов не более 5 мкВ (пересчитан ко входу предварительного усилителя). Следовательно, для реализации контроля с максимально возможной для электронной аппа щ ратуры чувствительностью, необходимо, чтобы уровень механических шумов в объекте контроля был, по крайней мере, меньше этой величины в частотном диапазоне — 0,1 - 1 МГц. Если не удается выполнить вышеозначенное условие, то возникают следующие отрицательные последствия: - снижение чувствительности контроля, увеличение минимальной амплитуды регистрируемых сигналов АЭ; - уменьшение зоны контроля одним ПАЭ, что приводит к необходимости увеличения числа преобразователей и, следовательно, значительно повышает стоимость аппаратуры; - рост ошибки в определении времени прихода сигналов АЭ, при этом возрастает статистическая ошибка в определении координат источни t ков АЭ и снижается достоверность объединения их в группы по координа там.
В результате исследования различных типов испытательных машин, предназначенных, как для научных исследований, так и для промышленного контроля были определены основные источники шума. К ним относятся: работа электропривода или двигателя маслонасосной станции, утечки из пневматической или гидравлической систем, трение в движущихся частях системы нагружения, пластическая деформация и трение в местах контакта нагружающего устройства с объектом контроля. В установке INSTRON-8800 при работе сервоклапана в ее гидравлической системе возникают механические шумы, которые передаются в образец через захваты и достигают на выходе ПАЭ значений амплитуды, в тысячу раз больших собственных шумов АЭ аппаратуры. В таких условиях невозможно реализовать АЭК.
Для определения основных параметров непрерывного шумового сигнала, проводились статистический, корреляционный и частотные анализы. Было показано, что в большинстве установок шумовой сигнал является стохастическим с амплитудным распределением, которое имеет характерный гауссов профиль, и широким спектральным распределением в интересующей нас области частот 0,1-1 МГц. Построенные автокорреляционные функции оказались быстро спадающими с постоянной времени одного порядка с периодом основной частоты.
Для предотвращения попадания механического шума в ОК из нагружающего устройства при АЭК была предложена, исследована и реализована методика акустической изоляции, которая основывается на использовании звукоизолирующих материалов, расположенных между ОК и захватами НУ.
Изучение напряженно-деформированного состояния рельса на мосту в динамике
Таким образом, с помощью одного тензометрического преобразователя можно измерять, как продольные напряжения рельса, так и вес проходящего по нему поезда. Как будет показано ниже, после построения соот-ветствующей зависимости показаний тензометрического преобразователя от расчетного веса поезда, вычисленного по типу локомотива, марке вагона и среднестатистическому заполнению вагонов пассажирами (для пассажирских поездов) было получено удовлетворительное соответствие экспериментальных и расчетных данных.
При проведении измерений деформаций рельса № 1, расположенно го на мосту, было установлено, что задолго до наезда поезда на контроли руемый рельс в последнем возникают продольные напряжения заметной величины (рисунок 4.6). Напряжения такого же характера возникают в рельсе и после ухода поезда с контролируемого рельса. Первоначально была сделана попытка объяснить это явление идущей перед надвигаю # щимся поездом волной сжатия и следующей за поездом волной разряже ния в рельсе. При моделировании этого процесса выяснилось несовпаде ние уровня деформаций с экспериментально измеренным. Кроме того, распределение деформаций перед идущим поездом отличается от рассчи танного. После проведения дополнительных полевых экспериментов на мосту обнаружилось различие в динамике поведения продольных напря жений при различных направлениях движения поезда. Так,2 например, при движении поезда с запада на восток, в рельсе № 2 до захода поезда на рельс (рисунок 4.8, временной интервал "А") сначала возникают деформа ции растяжения, после прохода поезда деформации сменяются на дефор мации сжатия (временной интервал "С"). В случае движения поезда с вос « тока на запад все происходит наоборот, сжимающие продольные напряже ния постепенно сменяются на растягивающие (рисунок 4.9). Кроме того, обнаружилось различие в картинах напряженно-деформированного состояния для рельсов расположенных на различных участках пролета моста.
Такое поведение напряженно-деформированного состояния рельса логично было объяснить тем, что соответствующие продольные напряжения в рельсе возникают вследствие деформации конструкций моста под весом проходящего поезда. Проведенные в последующем оценки деформаций конструкций моста показали значения близкие к экспериментальным результатам измерений тензометрической системой. Проведенный затем контроль рельса, расположенного на твердой поверхности (балластная призма пути) подтвердил предположение об изгибе конструкций моста. При проходе поезда по рельсу, лежащему на твердой поверхности, продольных деформаций такого уровня как на мосту, предшествующих наезду поезда на рельс, не было, как не было и деформаций противоположного знака после прохода поезда.
Из вышесказанного следует два важных для данной работы вывода. Во первых, рельсы уложенные на мосту работают в более жестких условиях чем рельсы, расположенные на твердой земляной опоре. Следовательно, рельсы на мосту в большей степени подвержены усталостному разрушению и требуют более тщательного контроля на предмет наличия развивающихся дефектов усталостного типа. Во вторых, рельс перед наездом поезда испытывает значительные продольные деформации, затем, при наезде поезда, возникают интенсивные колебания внутренних напряжений, на последней стадии в рельсе остаются медленно убывающие напряжения противоположного знака по отношению к первой стадии. Таким образом, естественным путем реализуется ступенчатый процесс нагружения для объектов ответственного назначения. На повышение достоверности контроля при выборе такого режима нагружения указывают и другие исследователи [118,119,120,121]. Ценность ступенчатого режима нагружения заключается в разделении сигналов АЭ, принятых в процессе контроля, по значению напряжений.
Контроль рельсов на мосту осложнен наличием большого количества токопроводящих деталей моста вследствие возникновения множества замкнутых токовых контуров и поверхностей отражения электромагнитного излучения радиодиапазона. Кроме того, возникает большая разность потенциалов между рельсом и мостовыми конструкциями. Проблему отстройки от электромагнитных шумов удалось решить только после гальванической развязки исследовательской аппаратуры и конструкций моста с помощью автономного питания, а также после заземления аппаратуры на контролируемый рельс и изоляции преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) от рельса.
С акустическими шумами дело обстоит несколько иначе. При заходе поезда на рельс в последнем возникают интенсивные низкочастотные ме ханические колебания и ультразвуковые волны, распространяющиеся по всему рельсу. Волны с большой амплитудой и в широком диапазоне частот возникают при прохождении колесом рельсового стыка. В месте контакта колесо-рельс постоянно возникают волны разгрузки из-за несовершенства поверхности катания колеса. Все эти волны распространяются вдоль рель са, многократно переотражаясь (рисунок 4.10, временной интервал "В"). Средняя амплитуда шума во время прохода поезда составляет около 80% от максимально измеряемой, и превышает среднюю амплитуду сигналов АЭ от развивающихся дефектов более чем в пять раз. Вместе все это дела ет невозможным регистрацию сигналов АЭ от развивающихся дефектов со щ сравнительно небольшой амплитудой непосредственно в момент прохож дения поезда, используя обычные методы выделения сигналов по превышению над уровнем шума
